超聲輔助面團發(fā)酵對饅頭品質(zhì)的影響及工藝優(yōu)化

吳若言，羅登林，*，張康逸，徐寶成，袁云霞，李佩艷

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽471003；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南鄭州450008）

近年來，超聲技術(shù)憑借其諸多獨特的性能在提取、乳化、發(fā)酵和干燥等領(lǐng)域越來越引起人們的重視。超聲能夠通過傳播介質(zhì)產(chǎn)生壓縮與膨脹、振動與剪切、空化與熱效應(yīng)等作用，從而改變食品的性質(zhì)[1－2]。Tan等[3]將超聲應(yīng)用于面團的混合過程，與未加超聲的相比，面團具有較低的密度和流動指數(shù)、更高的膨化率和黏度，所得蛋糕的硬度更低，彈性、內(nèi)聚性和回復(fù)性更高。Pa等[4]探討了超聲輔助面團攪拌對面包品質(zhì)的影響，結(jié)果顯示當超聲功率為2.5 kW、作用時間40 min時，面包的物理性狀明顯改善，體積增大了19%，質(zhì)量和密度分別降低了2.1%和17%。Hu等[5]考察了超聲輔助冷凍面團對其品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在超聲作用下（288 W或360 W）面團冷凍所需的總時間縮短了11%以上，面團彈性顯著增加。Zhang等[6]研究了超聲對小麥面筋蛋白功能性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)其發(fā)泡性和泡沫穩(wěn)定性都隨超聲功率的增大而增加，其乳化性了有所提高。

目前，國內(nèi)外在超聲應(yīng)用于面制品生產(chǎn)過程方面的報道較少，尤其在面制品發(fā)酵領(lǐng)域未見報道。饅頭在中國作為一種傳統(tǒng)性的發(fā)酵面食，在人們?nèi)粘ｏ嬍持姓紦?jù)了重要地位。因此，本文主要探討超聲輔助面團發(fā)酵制備饅頭的可行性，分析超聲對饅頭品質(zhì)的影響規(guī)律，以期為發(fā)酵面團的加工提供一種新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥面粉：濟源市愚公農(nóng)產(chǎn)品有限公司；同批次活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；HM740型和面機：青島漢尚電器有限公司；TQ－15型發(fā)酵箱：TOPKITCH中國；KQ－500DE型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；Instron Universal 5544型質(zhì)構(gòu)分析儀：Instron Co.，USA。

1.2 方法

1.2.1 饅頭的制備

試驗對照組采用傳統(tǒng)發(fā)酵箱發(fā)酵的生產(chǎn)方法，通過先前的試驗確定優(yōu)化配方及生產(chǎn)工藝為：100 g小麥面粉、48 mL去離子水和1.2 g（1.2%）酵母，干酵母先用36℃的去離子水充分分散，之后與小麥面粉一同加入HM740和面機中選用低速檔（1檔）進行和面20 min，然后將面團放入發(fā)酵箱中進行發(fā)酵，發(fā)酵溫度為36℃～38℃、濕度83%、發(fā)酵時間40 min，第一次發(fā)酵完成后整形成兩個相同質(zhì)量的圓坯狀，在相同溫度和濕度下進行第二次發(fā)酵10 min，然后上鍋蒸制25 min，在室溫下冷卻1小時后進行分析測試。超聲組的配方（除干酵母添加量外）及和面工藝與對照組相同，和面完成后將面胚（厚度為0.40 cm～0.45 cm）放入保鮮袋中，保鮮袋口插入一支空心管并將四周扎緊，然后將裝有面團的塑料保鮮袋放入盛有去離子水的超聲清洗槽中，保鮮袋固定在距離槽液面和底部分別為3 cm和7 cm處，保證與外部空氣通暢并防止超聲作用過程中槽中水分浸入到保鮮袋中見圖1。

圖1 超聲輔助面團發(fā)酵設(shè)備示意圖Fig.1 The diagram of dough fermentation assisted by power ultrasound

在第一次發(fā)酵過程中，超聲功率密度設(shè)為15.38W/L～38.46 W/L，超聲時間設(shè)為20 min～50 min，槽中水溫為36℃～38℃。當超聲輔助面團第一次發(fā)酵完成后，后面的工藝與對照組完全相同，所有試驗均重復(fù)3次，取平均值。

1.2.2 饅頭比容和高徑比測定

饅頭比容為饅頭體積除以質(zhì)量，饅頭體積采用油菜籽置換法；饅頭高徑比采用游標卡尺分別量取饅頭上三處位置的高度及底部寬度計算得出[7]。

1.2.3 饅頭質(zhì)構(gòu)分析

采用質(zhì)地剖面分析（texture profile analysis，TPA）測定饅頭的質(zhì)地，具體方法為：在饅頭中心處用專用刀切成3個20 mm×20 mm×20 mm的正方體塊，選用P20探頭對切好的饅頭塊進行壓縮試驗，壓縮位移設(shè)為12 mm，速度為1 mm/s，第一次壓縮后探頭恢復(fù)到壓縮前的高度，平衡5 s，再進行第二次壓縮，壓縮位移和速率與第一次相同。兩次壓縮完成后即得到一個TPA曲線，從該曲線中計算得出饅頭的硬度、彈性、內(nèi)聚性、回復(fù)性、咀嚼性等指標。

1.2.4 綜合加權(quán)評分法評價饅頭品質(zhì)

綜合加權(quán)評分法是根據(jù)各項試驗指標的重要性來賦予其一定的權(quán)重，將多指標的試驗結(jié)果整合計算為綜合加權(quán)評分值的一種評分方法。根據(jù)饅頭品質(zhì)評價的相關(guān)報道選取的各項評價指標的重要性，分別選取硬度、彈性、比容、高徑比、內(nèi)聚性5項指標作為加權(quán)評分因子并分別賦予40%、20%、20%、10%、10%的權(quán)重[7－10]。加權(quán)平均法的模型見公式（1）和（2），每個因子根據(jù)其對最終結(jié)果的影響，為正相關(guān)則其權(quán)重取正值，為負相關(guān)則其權(quán)重取負值。本試驗中，硬度的權(quán)重取負值，其余都取正值。

式中：Y為某一組的加權(quán)綜合得分；wj為每個指標所對應(yīng)的權(quán)重；yj為各項的標準分；yj指該組中每個指標的實際測量值；yjmin為幾組間同一指標中的最小值；yjmax為幾組間同一指標中的最大值。

1.2.5 單因素和響應(yīng)面設(shè)計

選擇酵母添加量、超聲作用時間和超聲功率密度3個因素進行單因素試驗，再綜合單因素的試驗結(jié)果采用響應(yīng)面法（response surface method，RSM）進行優(yōu)化，用Design Export 8.05軟件進行數(shù)據(jù)擬合，以綜合加權(quán)評分法所得的最終分值為響應(yīng)值，獲得超聲輔助面團發(fā)酵的優(yōu)化工藝。

1.2.6 試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析

利用origin8.0進行數(shù)據(jù)處理，采用SPASS17.0對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析，采用Duncan檢驗，顯著性差異設(shè)為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酵母添加量的影響

在超聲功率密度為23.08 W/L、超聲作用時間為40 min下，考察酵母添加量（以面粉質(zhì)量為基準）對饅頭硬度、彈性、比容、高徑比、內(nèi)聚性和綜合加權(quán)評分的影響見表1。

表1 不同酵母添加量對饅頭品質(zhì)的影響Table 1 Effect of yeast addition on the quality of steamed bread

表1顯示，饅頭彈性和比容均在酵母添加量為1.2%時達最大值，饅頭高徑比和內(nèi)聚性均在酵母添加量1.0%時達最大值，但酵母添加量在0.8%～1.4%時對它們影響不顯著。饅頭硬度隨酵母添加量的增加逐漸降低，當酵母添加量≥1.2%時，其硬度下降顯著。這是因為酵母添加量較低時，面團不能充分發(fā)酵，沒有形成完全松軟的網(wǎng)絡(luò)支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硬度偏大；當酵母添加量增加至適量時，面團發(fā)酵充分，面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成充分且充滿氣體，因此硬度較小；但當酵母添加量較高時，引起面團發(fā)酵過度和面筋網(wǎng)絡(luò)持氣能力下降，導(dǎo)致饅頭蒸制后發(fā)生一定的塌陷、萎縮和彈性下降，表現(xiàn)為硬度、比容和高徑比下降，內(nèi)聚性增強。Liu等[11]認為，酵母產(chǎn)生的CO2使面團膨大并變?nèi)彳?，?dǎo)致饅頭硬度降低。綜合加權(quán)評分顯示，在固定超聲功率密度23.08 W/L、超聲作用時間40 min下，酵母添加量為1.2%時所得饅頭品質(zhì)最好。

2.1.2 超聲作用時間的影響

根據(jù)酵母添加量的試驗結(jié)果，選擇酵母添加量1.2%和超聲功率密度23.08 W/L下，考察超聲作用時間對饅頭品質(zhì)的影響見表2。

表2 超聲作用時間對饅頭品質(zhì)的影響Table 2 Effect of ultrasonic time on the quality of steamed bread

由表2可知，超聲作用時間對饅頭彈性、高徑比和內(nèi)聚性影響不顯著，但對饅頭硬度和比容影響顯著。隨超聲作用時間（20 min～50 min）的延長，饅頭的硬度逐漸下降。當超聲作用時間≥40 min時，饅頭的硬度與對照組相比下降明顯；在50 min時，饅頭硬度相比對照組下降了18.2%，相對20 min的下降了16.2%。這可能歸因于以下幾個原因：一方面，隨超聲作用時間的延長，面團發(fā)酵更加充分；另一方面，超聲作用可能會破壞分子間的氫鍵作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，大的蛋白質(zhì)集合體變成可溶性小集合體，總體結(jié)構(gòu)相對松散[12]。研究發(fā)現(xiàn)，超聲處理使小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)部分展開，削弱了麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的相互作用，并減少了面筋蛋白內(nèi)部形成的二硫鍵和極性氫鍵[6，13]。另外，Lomakina等[14]發(fā)現(xiàn)，超聲能使蛋白質(zhì)和脂肪顆粒分散得更均勻，顯著提高了蛋白質(zhì)的起泡能力，這也會引起饅頭硬度的下降。

饅頭比容隨超聲作用時間的延長呈先增加后下降趨勢，在40 min時比容達最大值，與對照組相比增大了9.0%，與20 min時相比增大了14.2%。有研究顯示，較低頻率和聲強的超聲對酵母的生長具有促進作用（提高33.3%），縮短了發(fā)酵時間[15]。因此，隨超聲作用時間的延長，面團發(fā)酵越充分，饅頭比容越大且硬度越小；但當超聲作用時間過長（≥50 min）時，比容又有所下降，可能是因為發(fā)酵過度，導(dǎo)致面筋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷。綜合加權(quán)評分顯示，在固定超聲功率密度為23.08 W/L、酵母添加量為1.2%下，超聲作用時間40 min時所生產(chǎn)的饅頭品質(zhì)最好。

2.1.3 超聲功率密度的影響

根據(jù)酵母添加量和超聲作用時間的試驗結(jié)果，選擇酵母添加量為1.2%、超聲作用時間為40 min下，考察超聲功率密度對饅頭品質(zhì)的影響見表3。

由表3可知，超聲功率密度對饅頭高徑比和內(nèi)聚性影響不顯著，而對硬度、彈性和比容均有顯著的影響。隨超聲功率密度的增大，饅頭硬度呈先減小后增大的趨勢，超聲功率密度在15.38 W/L～38.46 W/L范圍內(nèi)，所得饅頭硬度都顯著小于對照組；當超聲功率密度為23.08 W/L時，饅頭硬度達最小值，相比對照組降低了25.0%。在一定的超聲功率密度范圍內(nèi)，超聲會破壞蛋白質(zhì)聚合體內(nèi)的氫鍵而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相對松散，因而硬度下降；隨超聲功率密度的增加，變性蛋白增多，原來處于蛋白分子內(nèi)部的疏水基團大量暴露在分子表面，使蛋白質(zhì)顆粒易于發(fā)生分子間相互碰撞而又重新聚集，因此所得饅頭的硬度又增大[16]。另外，超聲也會對小麥淀粉顆粒的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響到面制品的品質(zhì)[17]。相關(guān)研究表明[18]，一定功率的超聲會破壞淀粉的結(jié)晶區(qū)，使其親水基團－OH更多地暴露在外，它們通過與水或蛋白質(zhì)發(fā)生非共價相互作用，導(dǎo)致面團親水作用更強，從而延緩了產(chǎn)品老化，即抑制了饅頭硬度的增大。但當超聲功率過大時，會打斷部分淀粉的分子鏈，造成直鏈淀粉含量相對增加，加快了饅頭的短期老化速率。因此，隨著超聲功率密度的進一步增加，饅頭的硬度又增大[19]。

表3 超聲功率密度對饅頭品質(zhì)的影響Table 3 Effect of ultrasonic power density on the quality of steamed bread

與對照組相比，超聲作用所得饅頭的彈性變化不顯著。但當超聲功率密度達38.46 W/L時，與功率密度為15.38 W/L時相比變化顯著。彈性主要取決于谷蛋白分子間及分子內(nèi)二硫鍵的含量。O'Sullivan等[20]認為，超聲產(chǎn)生的能量不足以使大米分離蛋白和小麥分離蛋白的二硫鍵斷裂。這可能是由于他們所采用的超聲功率密度較小的緣故。當超聲功率密度較大時，超聲產(chǎn)生的空化效應(yīng)能引起局部高溫和高壓，破壞面筋蛋白的分子結(jié)構(gòu)和二硫鍵，導(dǎo)致面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減弱，從而引起饅頭彈性的下降。Zhang等[21]的研究指出，超聲所產(chǎn)生的機械剪切力破壞了蛋白質(zhì)間的共價相互作用，導(dǎo)致其變性和次級結(jié)構(gòu)改變。因此，當超聲功率密度較大時，引起饅頭彈性下降可能是由于超聲破壞了谷蛋白中的二硫鍵所致。

饅頭比容隨超聲功率密度的增大呈先增加后下降的趨勢。在超聲功率密度為23.08 W/L時達最大值，相比對照組增加了5.2%，且變化顯著，這可能主要歸因于超聲對酵母活性的影響。當超聲功率密度較小時，超聲有助于提高酵母的活性，促進發(fā)酵所需氧氣的融入和所產(chǎn)生的二氧化碳的排除以及各種物質(zhì)的傳遞；但當超聲功率密度較大時，產(chǎn)生強的空化效應(yīng)，破壞了酵母細胞壁和質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，抑制了酵母的生長繁殖，因而饅頭比容又有所下降[22]。Sulaiman等[23]發(fā)現(xiàn)，在超聲周期為10%和20%時可以改善產(chǎn)乙醇菌種的繁殖速率和最終產(chǎn)物濃度，而在超聲周期為40%時卻對菌種的繁殖速率和產(chǎn)物濃度產(chǎn)生不利的影響，菌種的指數(shù)增長期結(jié)束得更早。綜合加權(quán)評分顯示，在酵母添加量1.2%、超聲作用時間40 min下，超聲功率密度為23.08 W/L時所得饅頭的品質(zhì)最好。

2.2 響應(yīng)面結(jié)果與分析

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)置與結(jié)果

在單因素試驗的基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法進行優(yōu)化，選取超聲功率密度（A）、超聲作用時間（B）、酵母添加量（C）3個因素作為自變量，分別設(shè)置3個水平，編碼值見表4。以綜合加權(quán)評分為響應(yīng)值，響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果見表5。

表4 Box-Behnken方案設(shè)計因素和水平編碼值表Table 4 Independent variables and their respective coded levels employed in Box-Behnken

表5 Box-Behnken優(yōu)化超聲制備饅頭工藝的試驗方案與結(jié)果Table 5 Box-Behnken experimental design and results for steamed bread made using ultrasound treatment

續(xù)表5 Box-Behnken優(yōu)化超聲制備饅頭工藝的試驗方案與結(jié)果Continue table 5 Box-Behnken experimental design and results for steamed bread made using ultrasound treatment

2.2.2 回歸方程與方差分析

利用design-expert軟件對表5的數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到饅頭品質(zhì)綜合加權(quán)評分對超聲作用功率密度（A）、超聲作用時間（B）、酵母添加量（C）的回歸方程：Y=20.98-2.31×A-5.10×B+1.43×C+0.35×A×B-9.01×A×C+0.11×B×C-9.90×A2-0.39×B2-14.02×C2。對該回歸方程進行方差分析，結(jié)果見表6。

表6 回歸方程的方差分析Table 6 Variance analysis of response surface quadratic model

由表6可知，回歸模型的P值為0.006 2（<0.01），即該模型是有效的。F值為7.91（>6.00），失擬項P值為0.774 4（>0.05）不顯著，模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.910 4，表明僅有約9%的測量數(shù)據(jù)用該模型無法解釋。另外，方差分析顯示，對饅頭綜合加權(quán)得分影響較大的幾個因素為超聲功率密度（A2）、超聲作用時間（B）、酵母添加量（C2）、超聲功率密度與酵母添加量的相互作用（AC）等，影響大小順序為C2>A2>AC>B。用Design Expert軟件對回歸方程進行優(yōu)化分析，得到超聲輔助面團發(fā)酵制備饅頭的優(yōu)化工藝：超聲功率密度21.71 W/L，超聲作用時間30 min，酵母添加量1.22%。相對對照組，超聲組的總發(fā)酵時間縮短了20%。

2.2.3 幾種因素對加權(quán)綜合得分的影響

根據(jù)分析結(jié)果做響應(yīng)面圖，見圖2～圖4。

圖2 Y=f（A，B）超聲功率密度與作用時間對加權(quán)綜合得分影響的響應(yīng)面圖Fig.2Y=f（A，B）Influence of ultrasonic power density and processing time on weighted score

圖3 Y=f（A，C）超聲功率密度與酵母添加量對加權(quán)綜合得分影響的響應(yīng)面圖Fig.3Y=f（A，C）Influence of ultrasonic power density and yeast amount on weighted score

圖2顯示，隨超聲作用時間減少，綜合加權(quán)得分（Y值）呈上升趨勢，且隨超聲功率密度的增加呈先升高后降低趨勢。圖3顯示，隨超聲功率密度和酵母添加量的增大，Y值都呈先增加后降低的趨勢。圖4顯示，Y值隨超聲作用時間的減小而增大，且在任何超聲時間內(nèi)隨酵母添加量的增加呈先增大后減小趨勢。

2.2.4 模型的試驗驗證

圖4 Y=f（B，C）超聲作用時間與酵母添加量對加權(quán)綜合得分影響的響應(yīng)面圖Fig.4Y=f（B，C）Influence of ultrasonic processing time and yeast amount on weighted score

根據(jù)模型試驗的優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合實際情況調(diào)整為超聲功率密度23.08 W/L、超聲作用時間30 min，酵母添加量1.22%，在此條件下進行驗證試驗，最終加權(quán)綜合得分為25.18，與計算值之間的誤差為3.12%，表明回歸方程對饅頭品質(zhì)的綜合加權(quán)評分的估算具有一定的精度見表7。超聲作用優(yōu)化條件下所得饅頭與對照組所得饅頭的比較結(jié)果分別見圖5和表8。圖5顯示超聲組所得饅頭體積更大，硬度更小，內(nèi)部組織無明顯大孔洞，氣室結(jié)構(gòu)分布更加均勻。這是因為超聲通過傳播介質(zhì)產(chǎn)生的機械振動效應(yīng)能形成疏密相間的區(qū)域，在稀疏區(qū)域（膨脹），有利于外部空氣進入到面團中，促使氣泡產(chǎn)生和生長；在緊密區(qū)域（壓縮），氣泡被壓縮，有利于氣泡向面團周圍和內(nèi)部區(qū)域擴散，促使氣體均勻的分布于整個面團中。因此生產(chǎn)出的饅頭組織結(jié)構(gòu)細密均勻，體積大[24]。表8表明，與對照組相比，超聲作用能使饅頭的硬度下降34.9%，比容增大9.0%。

圖5 超聲最優(yōu)條件下所制饅頭與對照組饅頭的外觀及剖面圖Fig.5 Profiles of steamed bread with and without ultrasound treatment

表7 驗證試驗設(shè)計表與試驗結(jié)果Table 7 Conformation runs and experimental results

表8 超聲最優(yōu)條件下所制饅頭與對照組饅頭各項指標對比Table 8 The indicators of steamed bread with and without ultrasound treatment

3 結(jié)論

利用超聲輔助面團發(fā)酵對于提高發(fā)酵面制品的生產(chǎn)效率和改善其品質(zhì)是可行的。超聲作用于面團發(fā)酵過程，可明顯降低成品饅頭的硬度，增大其比容，而對饅頭的高徑比、彈性及內(nèi)聚性影響不明顯。通過響應(yīng)面試驗得到超聲輔助面團發(fā)酵制備饅頭的優(yōu)化工藝條件為：超聲功率密度21.71 W/L、超聲作用時間30 min、酵母量1.22%。與對照組相比，在超聲輔助下發(fā)酵所需時間縮短了25.0%，且所得饅頭的比容增大了9.0%，同時硬度降低了34.9%。超聲輔助發(fā)酵提高了饅頭的生產(chǎn)效率，所生產(chǎn)的饅頭質(zhì)地更柔軟比容更大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)細密均勻。